Phát thải khí Methane CH4 trên mạng thu gom nước thải sinh hoạt

Trong quá trình thu gom, vận chuyển và xử lý nước thải sinh hoạt, có một số sản phẩm được tạo ra, trong đó có một số chất khí như Methane (CH4), Nitơ õxit (N2O), Carbonic (CO2), Hydro sulfure (H2S)… Thành phần các loại khi thải này phụ thuộc và bản chất sinh-hóa học của nước thải sinh hoạt và cách thức xử lý chúng. Trong đó, khí Methane CH4 chủ yếu được tạo ra từ quá trình phân hủy sinh học yếm khí theo sơ đồ dưới đây.

Methane CH4 là một loại khí không mầu, không mùi, khối lượng riêng nhẹ hơn không khí và dễ bốc cháy. Khí CH4 gây ra hiệu ứng khí nhà kính, giữ nhiệt trong bầu khí quyển mạnh hơn 28 lần so với khí CO2 vì vậy nó đã làm cho trái đất nóng lên. Theo đánh giá của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), khí CH4 đang gây ra một thách thức với vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong quản lý nước thải sinh hoạt đô thị, cũng như các hoạt động kinh tế xã hội khác, rất cần sự quan tâm và có các biện pháp giảm thiểu phát thải khí CH4. Trong Hướng dẫn của IPCC có một công thức giản lược (áp dụng trong trường hợp các thông tin về hệ thống thoát nước còn bị hạn chế) để xác định tổng lượng CH4 phát thải, dựa vào các yếu tố: i) Dân số trong lưu vực thoát nước nghiên cứu (người); ii) Tổng khối lương chất thải hữu cơ trong 1 năm (kgBOD/năm); iii) Khối lương chất thải hữu cơ được tách ra khỏi nước thải, nằm trong bùn thải (kgBoD/năm); iv) Hệ số phát thải CH4 (là tỷ số giữa khối lượng CH4 và khối lượng BoD); và v) Tổng khối lượng khí CH4 được thu hồi và tái sử dụng (nếu có).

Hướng dẫn của IPCC đã tính gộp chung khối lượng khí CH4 phát thải trên toàn bộ hệ thống thoát nước, không tính riêng cho mạng lưới thu gom và riêng cho công trình xử lý. Hiện tại ở Việt Nam chưa có nhiều các nghiên cứu phát thải CH4 riêng cho mạng lưới cống nước thải. Lý do là mạng lưới có đặc thù khác với công trình xử lý, có khá nhiều yếu tố tác động đến mức độ phát thải khí (ví dụ có sự khác nhau về cầu trúc hệ thống cống, đặc tính thủy lực đường ống, nhiệt độ, áp suất, điều kiện của cống tự chảy hay cống áp lực…) vì vậy việc đo đạc, tính toán phân lập khối lượng CH4 trên mạng lưới một cách chính xác còn gặp khó khăn. Dưới đây, chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu của nước ngoài trong điều kiện hạ tầng vệ sinh đô thị tương tự như các đô thị Việt Nam, để bạn đọc tham khảo thêm thông tin.

Như chúng ta đã biết trên mạng cống nước thải, các bể tự hoại gia đình được coi như một công trình tiếp nhận và xử lý sơ bộ nước thải “đen” và “xám”. Quá trình phân hủy chất thải hữu cơ nhờ sự tham gia của các vi sinh vật yếm khí tạo ra CH4 và phát thải khí ra môi trường. Ước tính có tới 76% CH4 được tạo ra từ các bể tự hoại, trên toàn bộ hệ thống thoát nước (Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ, EPA 2009).

Trong các đường cống thoát nước tự chảy, tiết diện thủy lực của ống cống với một độ đầy nhất định (h/d<1.0) thì trên bề mặt dòng chảy tiếp xúc với không khí quá trình bốc hơi CH4 xảy ra thuận lơi (Beelen và Parker, 2022). Từ đây, CH4 sẽ thoát ra ngoài qua các hố ga và các cửa thu nước bề mặt. Điều này rất dễ thấy tại các mạng cống chung nước thải với nước mưa, khí thoát ra có lẫn mùi hôi của hydro sulfure (H2S). Nhiều kết quả khảo sát cũng khẳng định rằng các hầm ga có bùn cặn là nơi phát thải đáng kể khí CH4 (Fries và cộng sự, 2018).

Một nghiên cứu ở Australia cho thấy lượng CH4 phát thải trong một tuyến cống dâng nước lớn (ống lắp đặt phía sau trạm bơm dâng nước thải) được tính theo hàm lượng COD là 100 mgCOD cho 1 lít khí CH4 (Guisasola và cộng sự, 2008 / Foley và cộng sự, 2009).

Thống kê tại các thành phố của Trung Quốc cho thấy lượng CH4 bình quân đầu người, phát thải từ mạng cống rãnh nước thải sinh hoạt là 1361 g/người. năm (Hongtao Zhu và cộng sự, 2023).

Nếu dùng thuật toán để tính toán thì xác định được có tới 30% tổng lượng khí CH4 phát thải trong cống tự chảy so với toàn bộ tất cả công trình của mạng lưới nước thải (Beelen & Parker, 2022).

Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng mạnh đến mức độ phát thải CH4, nhất là từ 15oC trở lên (Fries và cộng sự, 2018). Nhiệt độ nước thải cao là điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật yếm khí hoạt động, tại đáy các hố ga, hầm chứa hoặc mương cống nơi có nước thải tù đọng.

Thay cho lời kết luận, chúng ta thấy rằng Methane CH4 là chất khí phát thải, cùng với một số loại khí khác gây ra hiệu ứng nhà kính đang làm cho trái đất nóng lên. Cũng như trong các ngành kinh tế xã hội khác, xả nước thải sinh hoạt là một hoạt động diễn ra thường xuyên tại các đô thị, tuy nhiên cần quan tâm hơn nữa đến các biện pháp kiểm soát và giảm thiểu phát thải khí CH4.

Thu gom định kỳ bùn bể tự hoại là một biện pháp giảm đáng kể phát thải khí CH4 trên mạng lưới thoát nước. Nhìn chung, bùn thải đô thị nên được vận chuyển về các nhà máy xử lý – đây là nơi có thể áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến để kiểm soát tốt hơn việc phát thải khí. Mặt khác, mạng lưới thoát nước cần được cải tạo nâng cấp, trong đó ưu tiên xem xét xây dựng mạng thu gom nước thải riêng biệt cho từng khu vực dân cư hoặc cho toàn bộ hệ thống. Việc tính toán thủy lực tối ưu tốc độ dòng chảy, sẽ hạn chế bùn thải lắng đọng trong cống và phát thải CH4 vì thế cũng sẽ được giảm thiểu.

Tài liệu tham khảo:

– Closing the gap in methane emission from urban wastewater sewer system in China. Hongtao Zhu et al. 2024.

– Methane Emissions from Municipal Wastewater Collection andTreatment Systems. Cuihong Song et al.2023.

– Phát thải khì nhà kính từ nước thải sinh hoạt. Tạp chí MTĐT. N.T.Dương,10/2021.